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简析高压气态储氢的技术现状

2021-03-15 14:05:59 867

如今储氢技术飞速发展,低温液态储氢、固体吸附储氢、化学方法液态储氢的关键技术在近些年有较大突破。从整体情况来看,国内储氢技术和研发进度都要落后国外先进水平一大步。现在仅仅是把70Mpa Ⅲ型储氢瓶应用到了燃料电池汽车上,低温液态储氢等方式距离商业化还有较长一段路需要走。高压气态储氢仍然还是主流的储氢方式。


高压气态储氢技术是指在高压条件下,将氢气压缩并注入储氢瓶中,让氢气以高密度气态形式储存的一种技术。国外研究表明,氢气质量密度随压力增加而增加,在30~40MPa时,氢气质量密度增加较快,而压力70MPa以上时,氢气质量密度变化很小。因此大多储氢瓶的工作压力在35~70MPa范围内。
 
目前,高压气态储氢瓶根据其材料不同主要分为四种类型:纯钢制金属瓶(I型)、钢制内胆纤维缠绕瓶(II型)、铝内胆纤维缠绕瓶(III型)和塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)。由于前两种储氢瓶的质量储氢密度较低(只有1%-2%),且氢脆问题严重,难以满足车载储氢系统的要求。因此车载储氢瓶主要是用后两种类型的储氢瓶。III型、IV型瓶由内胆、碳纤维强化树脂层及玻璃纤维强化树脂层组成,气瓶质量较轻,单位质量储氢密度相对有所提高(3.5%-6%),能较好的满足车用需求。


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型(左)     Ⅱ型(右)

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型(左)     Ⅳ型(右)


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车用

目前,国外已经实现IV型储氢瓶在车用领域70MPa的商业化应用。技术路线上,普遍采用塑料内胆+外缠碳纤维方案,例如日本丰田、挪威Hexagon、韩国ILJIN和加拿大Dynetek等公司都成功研制出多种规格型号的车载Ⅳ型瓶,技术成熟度较高,得到产业化应用。
 


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国内Ⅲ型瓶的发展阻碍主要在于碳纤维材料仍然依赖进口,成本较高。一旦实现碳纤维材料国产化,Ⅲ型瓶的成本将会进一步降低。IV型储氢瓶除去碳纤维材料需进口外,使用也受到限制,所以各大厂商在此方面的热情并不算高。目前仍以铝合金内胆+纤维丝缠绕的35MPa III型瓶为主, 70Mpa III型瓶已经在轿车中小范围的使用,总体仍处在装车测试阶段。

尽管Ⅳ型瓶面临着许多阻碍,但与Ⅲ型瓶相比,其塑料内胆取代铝内胆必将使成本降低,更长的高压循环寿命、不受各种腐蚀材料影响都是储运材料巨大的闪光点。因此国内部分厂商、研究机构已经立项,开始着手Ⅳ型储气瓶的研发工作。  
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站用

      
高压储氢是加氢站的主流储氢方式 。根据氢气加注压力, 加氢站分为35MPa和70MPa两类。我国绝大多数在用或在建的是35MPa 加氢站。为了适应燃料电池汽车供氢系统压力逐渐从35MPa增加到70MPa的需求,加氢站的加注压力提高到70MPa已到了十分紧迫的地步。在站用储氢领域,储氢设备主要以高压储氢瓶组的形式出现,依据技术路线不同有钢带错绕式压力容器、铝内胆全缠绕压力容器、高压瓶式容器等几种类型。
 

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钢带错绕式(左)铝内胆全缠绕式(中)高压瓶式(右)



其优缺点对比见下表:


类型

优点

缺点

钢带错绕式压力容器

·有相应的标准:GB/T  26466、GB/T 150;

·单个容器的水容积大,一般大于1000L,甚至达到7300L;

·临氢材料抗氢脆性能好;

·容器数量少,漏点少。

·压力分级与容积组合不易;

·制造工艺复杂、交货周期长;

·制造成本高;

·场地适应能力弱;

·运维成本高;

·定期检验困难

铝内胆全缠绕压力容器

·制造周期较短;

·压力分级与容积组合容易;

·场地适应能力强。

·国内没有相应的标准;

·单个容器的水容积小于450L;

·容器数量多,漏点多;

·运维成本高;

·定期检验难。

瓶式容器组

·有团体标准:T/CATSI  05003-2020;

·单个容器的水容积较大,一般大于1000L,甚至达到2000L;

·容器数量较少,漏点较少;

·压力分级与容积组合容易,调峰能力强,节能效果好;

·适应场地能力强,可根据现场条件量身定做;

·批量化制造方便,制造周期短;

·制造成本相对较低,经济性好;

·运行成本低;

·产品定检方便,检验费用低

·临氢材料及相关试制产品需要做氢环境下的试验验证。


在国内站用储氢装备制造企业中,浙江蓝能的表现较为突出。蓝能公司生产制造的氢气管束集装箱占据了长管拖车行业世界范围内1/3以上的累计出货量,国内市场排名第一;自主开发缠绕管束集装箱也是世界范围内储运氢气效率最高的产品。其自主开发45MPa站用储氢瓶式容器组解决了加氢站储氢容器方面的瓶颈,为国家首台套产品,覆盖了国内90%以上新建加氢站。
 
PGO氢能研究院认为,尽管高压气态储氢技术最为成熟,但是液态储氢、固态吸附储氢、化学储氢技术才是未来重要发展方向。从质量储氢密度上看,有机液体储氢质量储氢技术密度相对较高,大于5.7%且最高可达到67%,但目前成本太高。从成本方面来看,金属氢化物储氢及有机液体储氢成本均较高,还处于攻克研发阶段,不适合目前小批量的应用。但是在政策驱动、市场利好下,大量的研发人员和资金流入,困难的攻克只是一个时间问题。低温液态储氢、化学储氢实现商业化后,其较高的储氢密度会将成本拉回到一个较低的水平,经济性、安全性都会好于高压气态储氢。


*文中部分数据来自相关资料


PGO氢能与燃料电池产业研究院
2021年3月15日



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